專(zhuān)利名稱(chēng)：高拉伸強(qiáng)度高塑性TiNi納米晶材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米晶材料的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種高拉伸強(qiáng)度高塑性 TiNi納米晶材料的制備方法。
背景技術(shù)：
拉伸強(qiáng)度和塑性是衡量金屬材料力學(xué)性能的兩個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于一般的金屬材 料而言(包括純金屬和合金材料)，強(qiáng)度和塑性是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。粗晶材料(材料的晶 粒尺寸在微米級(jí)別或以上)的變形依靠位錯(cuò)的形成、遷移和纏結(jié)等，一般具有較低的強(qiáng) 度和較好的塑性。隨著晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度增加而塑性變差。當(dāng)材料的晶粒尺 寸減小到納米級(jí)別(一般20-100nm)時(shí)，材料一般都具有較高的強(qiáng)度(> IOOOMPa)，但 該類(lèi)納米材料由于不存在加工硬化因而塑性較差(一般< 6% )。隨著晶粒尺寸的減小強(qiáng) 度也不斷的增加(又稱(chēng)強(qiáng)化)，但當(dāng)晶粒尺寸減小到一個(gè)臨界尺寸(一般10-20nm)時(shí)材 料的變形不在依靠位錯(cuò)機(jī)制，此時(shí)材料的強(qiáng)度存在一個(gè)極大值，隨著晶粒尺寸進(jìn)一步減 小，材料的變形機(jī)制轉(zhuǎn)變成界面的轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)，此時(shí)材料變形容易發(fā)生，強(qiáng)度開(kāi)始降低 (又稱(chēng)軟化)。然而，如何獲得同時(shí)具有高拉伸強(qiáng)度和高塑性的納米晶材料一直是納米材 料領(lǐng)域迫切需要解決的一個(gè)難題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高拉伸強(qiáng)度高塑性TiNi納米晶材料及其制備方法， 它明顯不同于其他的方法，它通過(guò)電塑性軋制結(jié)合熱退火技術(shù)制備具有B2結(jié)構(gòu)且晶粒尺 寸40 50nm的TiNi塊體納米晶材料，利用具有B2結(jié)構(gòu)的TiNi材料可以在室溫變形條件 下發(fā)生馬氏體相變的特性，在拉伸變形中生成具有更加細(xì)小晶粒尺寸的B19’相，獲得 較高的拉伸強(qiáng)度，利用馬氏體相變本身可以導(dǎo)致加工硬化和所生的B19’相在變形過(guò)程 中隨著外加應(yīng)力的增加變形機(jī)制由晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)復(fù)活機(jī)制所導(dǎo)致的加工 硬化來(lái)提供高塑性，從而獲得同時(shí)具有高拉伸強(qiáng)度2l600MI^a和高塑性(2 10%)的TiNi 納米晶材料。
本發(fā)明所提供的高拉伸強(qiáng)度高塑性TiNi納米晶材料，所述TiNi納米晶材料的拉 伸強(qiáng)度2l600MPa，塑性2 10%。
本發(fā)明所提供的高拉伸強(qiáng)度高塑性TiNi納米晶材料的制備方法，所述方法的具 體步驟是
1.采用800_850°C退火1- 后快速冷卻的方法制備合金成分0.49 0.51 0.51 0.49的塊體TiNi粗晶合金，所述塊體TiNi粗晶合金具有B2結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸 約為80 μ m，塊體TiNi粗晶合金的厚度為2.14mm，寬為6mm，長(zhǎng)為150mm。
2.對(duì)塊體TiNi粗晶合金進(jìn)行電塑性軋制，在軋制的過(guò)程中通入脈沖電流，電流 密度84Amm_2，脈沖電流頻率IO3Hz,脈沖持續(xù)時(shí)間8X10_5s，軋制應(yīng)變量e = 2.0，軋制后塊體TiNi合金的厚度為0.39mm。
3.對(duì)電塑性軋制制備出的塊體TiNi合金進(jìn)行高真空退火，退火溫度 440-460退火時(shí)間lh，退火真空度p<10_4Pa，從而制備出具有B2結(jié)構(gòu)平均晶粒 尺寸為40-50nm的塊體TiNi納米晶材料。
4.室溫下，將上述塊體TiNi納米晶材料進(jìn)行拉伸變形，應(yīng)變速率為ΙΟ—Υ1， 拉伸直至斷裂。拉伸變形實(shí)驗(yàn)在5848型拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成，測(cè)得高拉伸強(qiáng)度和高塑性的 TiNi納米晶材料具有1600MPa的拉伸強(qiáng)度和10%的塑性(見(jiàn)圖4為該TiNi合金拉伸的應(yīng) 力-應(yīng)變曲線)。
本發(fā)明的有益效果是利用具有B2結(jié)構(gòu)的TiNi材料可以在室溫變形條件下發(fā)生 馬氏體相變的特征，在拉伸變形中生成具有更加細(xì)小晶粒尺寸的B19’相提供較高的拉 伸強(qiáng)度，利用馬氏體相變本身可以導(dǎo)致加工硬化和所生的B19’相在變形過(guò)程中變形機(jī) 制由晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)復(fù)活機(jī)制也會(huì)導(dǎo)致的加工硬化來(lái)提供高塑性，從而制 備出同時(shí)具有高拉伸強(qiáng)度和高塑性的TiNi納米晶材料。因而本發(fā)明為制備高強(qiáng)塑性材料 提供了基礎(chǔ)。


圖1是制備TiNi納米晶材料的電塑性軋制示意圖2是電塑性軋制制備的TiNi納米晶材料的X射線衍射圖譜(a)和透射電鏡明 場(chǎng)像(b)；
圖3是具有B2結(jié)構(gòu)的TiNi納米晶材料經(jīng)拉伸變形后靠近斷口處樣品的X射線衍 射圖譜(a)和透射電鏡暗場(chǎng)像(b)、(c)、(d)。其中(b)、(c)、(d)離斷口的距離逐 漸遞進(jìn)。
圖4是TiNi納米晶材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
在圖1中，1.上軋輥，2.TiNi塊體粗晶樣品，3.托板，4.脈沖電源，5.電流流通 方向，6.下軋輥。
具體實(shí)施方式
采用800°C退火Ih后快速冷卻制備合金成分1 1具有B2結(jié)構(gòu)的塊體TiNi粗 晶材料，HNi粗晶材料的厚度為2.14mm，寬為6mm，長(zhǎng)為150mm。室溫下，對(duì)該TiNi 塊體粗晶樣品2進(jìn)行電塑性軋制，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1 (a)所示，將TiNi塊體粗晶樣品 2放到兩個(gè)軋輥1之間進(jìn)行軋制，真應(yīng)變量為2.0，在軋制過(guò)程中由脈沖電源4提供脈沖電 流，脈沖電流從脈沖電源4的負(fù)極流出經(jīng)托板3進(jìn)入TiNi塊體粗晶樣品2，然后通過(guò)軋輥 1流回脈沖電源正極，5表示脈沖電流的流動(dòng)方向，這樣可以確保在軋制的區(qū)域有脈沖電 流通過(guò)。托板3的作用一是用來(lái)拖住TiNi塊體粗晶樣品2進(jìn)行送樣，二是作為電路的一部 分，使得被軋制樣品中一直有電流通過(guò)。電流密度84Amm_2，脈沖電流頻率IO3Hz, 脈沖持續(xù)時(shí)間8X10_5s，通入脈沖電流的目的是提高樣品的變形能力，從而獲得理想的 結(jié)構(gòu)。電塑性軋制獲得的樣品2而后進(jìn)行高真空退火，退火溫度450°C，退火時(shí)間 Ih,退火真空度p<10_4Pa，退火后便獲得了具有B2結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸40-50nm的 塊體TiNi納米晶材料(如圖2所示)。然后，對(duì)該塊體TiNi納米晶材料進(jìn)行拉伸變形實(shí) 驗(yàn)。該拉伸變形實(shí)驗(yàn)在5848型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變速率為ΚΓΥ1，測(cè)得高拉伸強(qiáng)度和高塑性的TiNi納米晶材料具有1600MPa的拉伸強(qiáng)度和10%的塑性(見(jiàn) 圖4為該TiNi合金拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線)。
具有B2結(jié)構(gòu)的TiNi合金在室溫變形條件下會(huì)發(fā)生馬氏體(B19’ )相變[如圖 3(a)所示]，所生成的B19’相具有比拉伸原始樣品具有更細(xì)小的納米晶尺寸[如圖3(b) 所示]，因而使得該材料具有較高的拉伸強(qiáng)度。另外，B2相向B19’相轉(zhuǎn)變時(shí)相變會(huì)導(dǎo) 致加工硬化且所生的B19’相在變形過(guò)程中變形機(jī)制由晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)復(fù) 活機(jī)制[如圖3 )-(d)所示]也會(huì)導(dǎo)致加工硬化，使得材料具有較大的塑性，從而獲得同 時(shí)具有高拉伸強(qiáng)度1600Ivffa和高塑性10%的TiNi納米晶材料(如圖4所示)。
圖2(a)為電塑性軋制并退火后生成的TiNi塊體材料的X射線衍射圖譜和透射 電鏡明場(chǎng)像照片，可以看出該條件下制備的TiNi合金主要是B2結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸 40-50nm。圖3為拉伸斷裂后斷口處的X射線衍射圖譜和距離斷口不通位置的透射電鏡 暗場(chǎng)像照片，可以看出，拉伸后TiNi合金由B2相轉(zhuǎn)變成為B19’相，隨著變形量的增加 變形機(jī)制由晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)機(jī)制。圖4為該TiNi合金拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線， 從該曲線上可以看出該合金具有1600MPa的強(qiáng)度和10%的塑性。
權(quán)利要求
1.一種高拉伸強(qiáng)度高塑性TiNi納米晶材料，其特征是所述TiNi納米晶材料的拉伸 強(qiáng)度2l600MPa，塑性2 10%。
2.—種制備權(quán)利要求1所述的高拉伸強(qiáng)度高塑性TiNi納米晶材料的方法，其特征是 所述方法的具體步驟是a.采用800-850°C退火l_2h后快速冷卻制備合金成分0.49 0.51 0.51 0.49具有 B2結(jié)構(gòu)的塊體TiNi粗晶合金；b.在室溫下，對(duì)塊體TiNi粗晶合金樣品(2)進(jìn)行電塑性軋制，將塊體TiNi粗晶合金 樣品⑵放到兩個(gè)軋輥(1、6)之間進(jìn)行軋制，軋制的過(guò)程中由脈沖電源⑷提供強(qiáng)脈沖 電流，強(qiáng)脈沖電流通過(guò)托板(3)進(jìn)入塊體TiNi粗晶合金樣品(2)而后通過(guò)軋輥沿著(5)所 示的方向流回脈沖電源(4)；C.對(duì)電塑性軋制獲得的塊體TiNi粗晶合金樣品(2)進(jìn)行高真空退火，退火溫度 440-460°C,退火時(shí)間lh，退火真空度ρ < ICT4Pa，獲得平均晶粒尺寸40 50nm的 塊體TiNi納米晶材料；d.室溫下，將上述塊體TiNi納米晶材料進(jìn)行拉伸變形，應(yīng)變速率為ΙΟ、—1，拉伸直 至斷裂，該拉伸實(shí)驗(yàn)在5848型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變速率為ΙΟ、—1， 測(cè)得高拉伸強(qiáng)度和高塑性的TiNi納米晶材料具有1600MPa的拉伸強(qiáng)度和10%的塑性。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種高拉伸強(qiáng)度高塑性TiNi納米晶材料及制備方法，該發(fā)明通過(guò)退火后快速冷卻制備TiNi粗晶合金，對(duì)TiNi粗晶合金進(jìn)行電塑性軋制后對(duì)其進(jìn)行熱退火制備具有納米晶尺寸40～50nm的塊體TiNi納米晶材料，對(duì)該塊體TiNi納米晶材料進(jìn)行拉伸變形，直至斷裂。利用材料拉伸過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，誘導(dǎo)TiNi合金室溫下發(fā)生馬氏體相變，所生成的B19’相具有比拉伸原始樣品具有更細(xì)小的納米晶尺寸，提供強(qiáng)度。B2相向B19’相轉(zhuǎn)變時(shí)相變會(huì)導(dǎo)致加工硬化且所生的B19’相在變形過(guò)程中變形機(jī)制由晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)復(fù)活機(jī)制也會(huì)導(dǎo)致加工硬化，提供塑性。從而獲得同時(shí)具有高拉伸強(qiáng)度≥1600MPa和高塑性≥10％的TiNi納米晶材料。本發(fā)明為制備高拉伸強(qiáng)度和高塑性納米晶材料提供了一條新途徑。
文檔編號(hào)C22F1/10GK102021364SQ20101051689
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者張湘義, 李曉紅 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)